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顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-18 08:18

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研究背景

五氧化二钒（V ₂ O ₅ ）是一种重要的功能材料，广泛应用于催化、能源存储与转换等领域，尤其在硫酸生产中的催化作用具有重要意义。与传统的催化材料相比，V ₂ O ₅ 由于其优异的催化性能和成本效益，成为了重要的研究对象。然而，V ₂ O ₅ 的性能在很大程度上依赖于其微观结构，特别是晶粒的分布、晶界的取向以及其中的缺陷结构。因此，如何在纳米尺度上精确地表征这些微观结构，仍然是提高V ₂ O ₅ 及类似材料性能的重大挑战。

成果简介

为了解决这一问题， 苏黎世联邦理工学院Andreas Apseros, Valerio Scagnoli，广岛大学Claire Donnelly等人 合作在Nature期刊上发表了题为“X-ray linear dichroic tomography of crystallographic and topological defects”的最新论文。

该团队设计并采用了X射线线性二向色性取向层析（XL-DOT）技术，成功实现了对V ₂ O ₅ 多晶样品在纳米尺度上的三维成分和微观结构映射。通过利用XL-DOT，该团队能够在非破坏性条件下，获得关于V ₂ O ₅ 晶粒、晶界、拓扑缺陷等的详细信息，空间分辨率达73纳米。这一技术突破，显著提高了对材料微观结构的表征能力，尤其是在高温和操作条件下的研究。

该研究不仅实现了晶粒内外结构的三维表征，还揭示了由于体积晶体缺陷的存在，拓扑缺陷的动态变化过程。这一发现为研究人员提供了新的思路，帮助他们理解V ₂ O ₅ 在催化反应中的微观机制，并为后续的材料设计与优化提供了理论依据。XL-DOT技术的应用，不仅提高了V ₂ O ₅ 等多晶材料的性能，还为其他功能材料的研究开辟了新的技术路径。

研究亮点

（1）实验首次使用X射线线性二向色性取向层析（XL-DOT）技术，对多晶和非晶材料在三维空间内进行了纳米尺度的晶粒、晶界和拓扑缺陷的表征，获得了高分辨率的三维组成和微观结构映射。

（2）实验通过获取同步辐射X射线相干成像投影，结合定制的重建算法，成功地实现了对V ₂ O ₅ 样品的晶体取向、晶粒划分及缺陷的精确表征，空间分辨率达到73纳米。通过该方法，能够观察到晶粒内外的微观结构特征，包括扭转、倾斜和孪晶边界，揭示了由体积晶体缺陷引发的拓扑缺陷的产生和消失。

（3）实验进一步通过对V ₂ O ₅ 样品进行非破坏性、定量化的三维表征，揭示了样品在操作条件下的微观结构和晶体缺陷的动态行为，推动了材料在能源、机械和量子材料等领域的应用研究。

图文解读

图1：XL-DOT实验装置

图2：使用XL-DOT进行材料组成和微观结构的三维纳米尺度映射

图3：使用XL-DOT检测的晶体缺陷

图4：晶体体积和拓扑缺陷

结论展望

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